23. Juli 2021

Adiabate Kühlsysteme sind eine Zukunftstechnologie, die sich auch als nachhaltige Ergänzung zu bestehenden Anlagen für die Gebäudekühlung nutzen lässt

Mit adiabaten Kühlsystemen lassen sich vorzugsweise Nichtwohngebäude wie Verwaltungsgebäude, Produktionsgebäude sowie Schulen und Bürogebäude kühlen und Temperaturspitzen abfangen. Dennoch kommen Kühlanwendungen mit Verdunstungskühlung noch verhältnismäßig wenig zum Einsatz.

Seit 2016 schränkt eine EU-Verordnung den Einsatz von F-Gasen (fluorierte Treibhausgase) ein. Darüber hinaus sollen ab 2030 auch H-FKW (halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe) nur noch bedingt verfügbar sein. Dementsprechend werden sich Kältemittel künftig je nach Gewichtung des Treibhauspotenzials (GWP – Global Warming Potential) verteuern. Hier können von der konventionellen Kältetechnik losgelöste adiabate Klimatisierungstechnologien punkten.

Diese raumlufttechnischen Geräte nutzen das physikalische Prinzip der Verduns tungskälte. Die Anlagen kühlen einen Luftstrom durch Befeuchtung und führen die dadurch gewonnene Kühlenergie einem anderen Luftstrom über einen Gegen- oder Kreuzstromwärmeübertrager zu. Die einzelnen Luftströme vermischen sich nicht. Moderne Anlagen arbeiten mit Luftvolumengeschwindigkeiten von ca. 1,6 – 1,8 m/s, um den Energiebedarf möglichst gering zu halten. Wie stark ein Luftstrom abgekühlt wird, bestimmen die verdunstete Wassermenge und die Effizienz der eingesetzten Kälterückgewinnung.

Ausgeklügelte Systeme
Der Frischwasserkontaktbefeuchter von Wolf, der Wirkungsgrade von über 90 % erzielt, wird über ein Magnetventil direkt an eine Frischwasserleitung angeschlossen. Die Anlage kommt bei Wasserhärten bis 24 ° dH (deutsche Härte) ohne Wasseraufbereitung aus und lässt sich auch mit Regenwasser betreiben.

Die Befeuchterkassetten der Anlage enthalten wabenstrukturierten Zellstoff oder alternativ Glas-Medien, die bei einem System mit 10 000 m³/h für eine optimale Befeuchtung je nach Abluftfeuchte mit etwa 30 Liter Wasser pro Stunde benetzt werden. Um den innen liegenden Wabenbefeuchter möglichst effektiv vor Ablagerungen wie Kalk zu schützen, sollten die Medien jedoch mit einer etwas erhöhten Wassermenge beaufschlagt werden. Differenzdruckdosen überwachen den Verschmutzungsgrad der Waben. Während Nutzungspausen lassen sich die Befeuchterkassetten aus dem Luftstrom ziehen, um luftseitige Druckverluste zu reduzieren.

Kampmann und dessen Marke Nova haben die modulare WRG-Geräteserie „Nova HighLine“ im Programm. Das mit der von Kampmann entwickelten regenerativen „Ka2O-Technologie“ ausgestattete System erlaubt die indirekte Verdunstungskühlung. Hierzu wird die warme Abluft im Gegenstromprinzip über einen Wärmeübertrager geführt. Während mit Vollkegeldüsen bestückte Lanzen die Oberfläche des Wärmeübertragers mit Wasser besprühen, verteilt die den Wärmeübertrager durchströmende warme Abluft das eingesprühte Wasser. Daraus resultiert eine großflächige Wasserverdunstung, mit der sich Außenluft je nach vorherrschender Temperatur auf › 20 K abkühlen lässt.

Die modular aufgebauten Wärmerückgewinnungssysteme lassen sich im Bereich von 200 m³/h bis 24 000 m³/h Luftmenge flexibel an Projektanforderungen anpassen. Je nach Luftmenge ist es möglich, bis zu zwölf Einzelmodule übereinander und bis zu fünf Modultürme hintereinander zusammenzuschließen. Weil die Module parallel durchströmt werden, bleibt der Druckverlust auch bei Luftmengen bis 24 000 m³/h bei 150 Pa.

Der Oberflächenverdunster „Condair ME“ kennzeichnet sich durch einen einfachen Aufbau. Das System besteht aus einer Befeuchterbox mit wabenförmigem Verdunstungskörper. Das synthetische Basismaterial ist gegenüber vollentsalztem Wasser beständig. Den Wasserdurchlauf regelt eine Hydraulikeinheit, wobei sich das aus mehreren kleineren Pumpen bestehende Konzept bedarfsgenau aktivieren oder deaktivieren lässt. Der modulare Aufbau verspricht einen energiesparenden Betrieb, weil die Anlage ohne eine leistungsstarke zentrale Pumpe auskommt. Überdies erhöht sich dadurch die Betriebssicherheit. Anbringen lässt sich die Hydraulik-Einheit wahlweise innerhalb eines RLT-Gerätes oder außen an der Gerätewand. Die Anlagen sind mit einem Kontrollsystem ausgestattet, das die Pumpen an die jeweilige Anlagenleistung anpasst und auf diese Weise die für die vollständige Durchdringung der Waben erforderliche Wassermenge zur Verfügung stellt.

Spezifische Regelungen
Ein besonderes Augenmerk legen die Hersteller auf die Anlagenregelung. Zwar lassen sich die Systeme meist zentral über eine übergeordnete Gebäudeleittechnik steuern. Allerdings kennen die Hersteller ihre Systeme und somit das Zusammenspiel einzelner Komponenten sehr genau, weshalb sie ihre Anlagen mit spezifischen Regelungen individuell optimieren. So hat Condair seine Lösungen mit einer eigenen Regelung ausgestattet, um beispielsweise die GLT-ausgelöste Abschlämmung und Spül- und Desinfektionsmechanismen zu überwachen. Aber auch die Kommunikation mit dem Gebäudemanagement erfolgt über diese Einheit, die sich an gängige GLT-Systeme wie etwa Modbus und BACnet anschließen und bedienen lässt.

Wolf bietet ein auf die Gesamtfunktionen der Anlagen abgestimmtes Regelungssystem an, das sich für die Sprühbefeuchtung oder die Direktbefeuchtung am Plattenwärmeübertrager nutzen lässt. Das „WRS-K“ (Wolf-Regelungssystem-Klima) ermittelt bei Kühlbedarf die Enthalpie der Abluft und errechnet die voraussichtliche Ablufttemperatur nach dem Befeuchter. Lässt sich die gemessene Außentemperatur zur Kühlung nutzen, wird ein Magnetventil geöffnet. Die Regelung optimiert permanent die Befeuchtungsleistung, wobei ein Zielbefeuchtungsgrad von › 85 % erreicht werden soll. Sobald im Kühlmodul Frostgefahr besteht, sorgt die Anlagenregelung für eine automatische Entleerung des adiabaten Kühlmoduls. Eine automatische Trockenlaufphase gewährleistet nach dem Abschalten der Anlage das hygienische Abtrocknen der Kühlkassetten.

Die Geräteserie „Nova HighLine“ (von Kampmann und Nova) ist mit der Regelung „KaControl“ ausgestattet, die sich über BACnet, Modbus oder LON in eine Gebäudeleittechnik integrieren lässt. Mit einem ergänzenden Abluftbetrieb sorgt die Regelung für die Entfeuchtung des Geräts. Ziel ist es, eine Verkeimung der Anlage zu verhindern und die Anlage während der Wintermonate vor Frostschäden zu schützen. Liegt keine Kühlanforderung vor, öffnet die Regelung alle Ventile und ermöglicht dadurch das Trockenfahren im Abluftbetrieb. Bei Härtegraden › 7 °dH das Hinzuschalten einer Wasseraufbereitungsanlage oder einer Umkehrosmoseanlage.

Ein Gerät fürs ganze Jahr
Die von Menerga entwickelte rekuperative WRG-Lüftungsanlage „Adconair“ erlaubt die ganzjährige Nutzung in Wohnals auch Nicht-Wohngebäuden. Das Lüftungsgerät stellt nicht nur Frischluft bereit, sondern lässt sich während der Wintermonate auch für die Wärmerückgewinnung nutzen.

Die auf einem Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager beruhende hybride Technologie verbindet die Taupunktkühlung mit der adiabaten Verdunstungskühlung. Dabei stellen die Lüftungsgeräte für die Taupunktkühlung einen gekühlten Zuluftstrom bereit, indem ein Außenluftstrom angesaugt wird. Zweidrittel dieser Außenluft werden zur Kühlung über einen Wärmeübertrager geführt. Ein Drittel wird abgezweigt und befeuchtet, um den Wärmeübertrager anschließend als Kühlluftstrom zu durchströmen.

Die Wärmeübertrager aus korrosionsfreien 0,15 mm dicken Doppelsteg-Kunststoffplatten arbeiten mit einem realen Gegenstromanteil von über 80 %. Den Druckverlust gibt Menerga mit 120 bis 200 Pa an. Die einzelnen Wärmeübertragungsplatten lassen sich zu 2,5 m tiefen Paketen stapeln, wobei das größte System für 30 000 m³/h Luftvolumenstrom ausreicht. Weil keine Verbindung zwischen Fort- und Außenluft besteht, ist das Vermischen der Luftströme und ein Feuchteübertrag ausgeschlossen. Die wärmeleitende Platte überträgt die thermische Energie der warmen Luft mit Wirkungsgraden von bis zu 85 % an die kalte Luft.

Ökologisch super, ökonomisch darstellbar
Luft lässt sich indessen nicht beliebig stark befeuchten. Sobald beispielsweise bei aufziehendem Gewitter feuchtwarme Zuluft mit einer relativen Feuchte von über 55 % vorherrscht, sind adiabate Kühlgeräte vielfach nicht mehr effektiv. Ferner beeinflussen Faktoren wie etwa die Kosten für Frisch- und Abwasser und für Strom die Wirtschaftlichkeit und Effizienz adiabater Systeme. Ökonomisch und ökologisch rentabel sind die Anlagen daher insbesondere dann, sobald sich Spitzenlasten ohne den Einsatz von Kältemaschinen abdecken lassen. Die Wirtschaftlichkeit und der energetische Beitrag einer Verdunstungskühlung kann beispielsweise mit dem softwarebasierten Simulationstool „myCoolblue“ von Condair berechnet werden.

Weil in Deutschland der Anteil adiabater Kühlsysteme im Vergleich zu Lüftungsklimageräten derzeit noch gering ist, fördert das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Technologien zur indirekten Verdunstungskühlung in RLT-Geräten bis Ende 2021. Die Fördersummen, die bis zu knapp 10 000 Euro betragen können, orientieren sich an der Kälteleistung der Systeme. Ziel der Förderung ist es, mit der vermehrten Nutzung umweltfreundlicher Kälte- und Klimaanlagen eine jährliche Einsparung in Höhe von mindestens 100 000 t CO₂-Äquivalent zu erreichen. Allerdings besteht ein Förder anspruch nur, wenn Anlage und Komponenten erst nach der BAFA-Bewilligung bestellt und eingebaut werden.

Fazit
Bei einer durchschnittlichen Feuchte von 30 % in den Sommermonaten ist die Nutzung der adiabaten Kühlung in Mitteleuropa eine interessante Option. Dennoch werden vielerorts in Deutschland keine Anlagen für die Klimatisierung vorgesehen. Vielmehr ziehen die Verantwortlichen Argumente wie den Energiebedarf und den Aufwand für die Wartung heran, um sich gegen den Einsatz der Klimageräte zu stellen. „In Deutschland wird die Klimatisierung dogmatisiert“, ist Claus Händel, Technischer Referent vom Fachverband Gebäude–Klima (FGK), überzeugt. Der FGK hat es sich deshalb auf die Fahne geschrieben, die Öffentlichkeit über die Möglichkeiten der energieeffizienten Klimatisierung zu informieren. „Das Thema Lüftung ist zwar aufgrund der Corona-Pandemie plötzlich in aller Munde und wird zum ersten Mal als notwendige, der Gesundheit dienende Maßnahme anerkannt. Gleichzeitig wird Lüftung oftmals nur mit im Raum aufgestellten Umluftfiltergeräten in Zusammenhang gebracht.“ Die indirekte Verdunstungskühlung auf Wasserbasis kann nicht nur für thermische Behaglichkeit sorgen, sondern auch elektrische Energie und damit CO₂-Emissionen einsparen.

Autorin: Carola Tesche, freie Journalistin